Sentez-vous la chaleur s'échapper de votre ordinateur ou de votre téléphone portable ? C'est de l'énergie gaspillée qui émane de l'appareil. Avec les automobiles, on estime que 60 % de l'efficacité énergétique est perdue en raison de la chaleur résiduelle. Est-il possible de capter cette énergie et de la convertir en électricité ?

Les chercheurs travaillant dans le domaine de la production d'énergie thermoélectrique disent absolument. Mais si cela peut être fait de manière rentable reste une question.

Pour l'instant, les générateurs thermoélectriques sont une rareté, utilisé principalement dans des applications de niche comme les sondes spatiales, où le ravitaillement n'est pas possible. La thermoélectricité est un domaine de recherche actif, notamment parmi les constructeurs automobiles comme BMW et Audi. Cependant, à ce jour, le coût de conversion de la chaleur en électricité s'est avéré plus élevé que l'électricité elle-même.

Anveeksh Koneru, maître de conférences en génie mécanique à l'Université du Texas Permian Basin (UTPB), explore une nouvelle méthode pour capturer la chaleur perdue en exploitant les mouvements mécaniques quantiques des électrons dans des matériaux à spin polarisé.

En physique des particules, le spin est une forme intrinsèque du moment cinétique porté par les particules élémentaires, particules composites (hadrons), et les noyaux atomiques. Grâce à un mécanisme connu sous le nom d'effet Spin Hall, il a été montré qu'une tension peut être générée en exploitant les différences de populations de spin sur un contact métallique fixé sur un matériau ferromagnétique. Première démonstration expérimentale par des chercheurs japonais en 2008, l'idée s'est infiltrée dans la science des matériaux pendant un certain temps, mais n'a pas encore trouvé sa forme optimale.

Koneru pense que, en oxyde de cobalt, il a peut-être trouvé le bon matériau pour en exploiter l'effet pour la production d'énergie. Un composé inorganique utilisé dans l'industrie de la céramique pour créer des glaçures de couleur bleue, et dans les technologies de séparation de l'eau, les oxydes de cobalt possèdent la capacité unique d'accepter des cations de métaux de transition de substitution, ce qui permet de les mélanger avec du nickel, le cuivre, manganèse, ou zinc. Ces métaux ont des propriétés magnétiques qui peuvent augmenter la séparation entre les électrons tournant vers le haut et vers le bas et améliorer la conversion de la chaleur en électricité.

"Le matériau doit être un bon conducteur électrique, mais un mauvais conducteur thermique. Il doit conduire les électrons, mais pas les phonons, qui sont la chaleur, " dit Koneru. " Pour étudier cela expérimentalement, il nous faudrait fabriquer des milliers de combinaisons différentes de matériaux. Au lieu, nous essayons de calculer théoriquement quelle est la configuration optimale du matériau à l'aide de substitutions."

Depuis 2018, Koneru a utilisé des superordinateurs au Texas Advanced Computing Center (TACC) pour tester virtuellement les profils énergétiques d'une variété d'oxydes de cobalt avec une gamme de substitutions.

"Chaque calibration prend 30 à 40 heures de temps de calcul, et nous devons étudier au moins un 1, 000 à 1, 500 configurations différentes, " a-t-il expliqué. " Cela nécessite une énorme facilité de calcul et c'est ce que TACC fournit. "

Koneru, avec les étudiants diplômés de l'UTPB Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, et un collaborateur de l'Université de Virginie-Occidentale, Terence Musho, ont présenté leurs premiers résultats sur la capacité thermoélectrique des oxydes de cobalt lors de la réunion de printemps de la Materials Research Society à Phoenix, Arizona, le 22 avril.

Les chercheurs ont étudié des cellules unitaires de 56 atomes de trois configurations d'oxyde de cobalt, accordé par des substitutions de nickel et de zinc, pour obtenir des performances thermoélectriques optimales. Ils ont utilisé un progiciel connu sous le nom de Quantum ESPRESSO pour calculer les caractéristiques physiques de chaque configuration. Ceux-ci inclus:

• la bande interdite :l'énergie minimale requise pour exciter un électron à un état où il conduit l'énergie; le paramètre de maille :les dimensions physiques des cellules dans un réseau cristallin;
• la masse effective des électrons de conduction :la masse qu'une particule semble avoir lorsqu'elle répond à une force;
• et la polarisation de spin :le degré auquel le spin est aligné avec une direction donnée.

Ces propriétés fondamentales ont ensuite été utilisées pour effectuer des calculs conventionnels de transport de charge et de spin, qui indique aux chercheurs à quel point une configuration de l'oxyde de cobalt peut transformer la chaleur en électricité.

Selon les chercheurs, la méthode développée dans cette recherche peut être appliquée à d'autres matériaux thermoélectriques intéressants avec des propriétés semi-conductrices et magnétiques, ce qui le rend largement utile pour la communauté des sciences des matériaux.

UTILISER LA CYBERINFRASTRUCTURE UT RESEARCH

En tant que Ph.D. étudiant à l'Université de Virginie-Occidentale, Koneru avait accès à de gros superordinateurs pour mener ses recherches. Bien que l'UTPB ne dispose pas de telles ressources localement, il a pu puiser dans les systèmes et services informatiques avancés de TACC grâce à l'initiative UT Research Cyberinfrastructure (UTRC), lequel, depuis 2007, a fourni aux chercheurs de l'une des 14 institutions du système de l'Université du Texas l'accès aux ressources de la TACC, compétence, et de la formation.

Dans le cadre de l'initiative UTRC, Le personnel du TACC sert de liaison, visiter les 14 campus d'UT System, proposer des formations et des conseils, et présenter aux chercheurs les ressources dont ils disposent. Lorsque le chercheur du TACC Ari Kahn a visité l'UTPB, il a rencontré Koneru et l'a encouragé à calculer au TACC.

Depuis, Koneru utilise Lonestar5, un système exclusivement réservé aux chercheurs de l'UT System, pour son travail. Bien qu'encore à leurs débuts, les résultats jusqu'à présent ont été prometteurs.

"Je suis excité parce que nous pouvions clairement voir la polarisation du spin lorsque les spinelles d'oxyde de cobalt étaient remplacés par du nickel. C'est un bon signe, " a-t-il dit. " Nous constatons qu'une configuration particulière a une division plus élevée dans la bande interdite, quelque chose de surprenant et que nous devons explorer davantage. Et tous les étalonnages convergent, ce qui montre qu'ils sont fiables."

Une fois qu'il a identifié le matériau optimal pour la conversion de la chaleur perdue, Koneru espère concevoir une pâte qui pourrait être appliquée au tuyau d'échappement d'un véhicule, convertir la chaleur résiduelle en électricité pour alimenter les systèmes électriques d'une voiture. Il estime qu'un tel appareil pourrait coûter moins de 500 $ par véhicule et pourrait réduire les émissions de gaz à effet de serre de centaines de millions de tonnes par an.

"Avec les récents progrès de la nanofabrication, et étalonnages informatiques pour les nanomatériaux, les matériaux thermiques de spin peuvent jouer un rôle vital dans la conversion d'énergie à l'avenir, " il a dit.

TACC permet à Koneru d'accélérer à travers un grand nombre de configurations matérielles possibles de sorte que lorsqu'il est temps de les tester expérimentalement, le nombre de candidats sera gérable.

"TACC est un système très utile avec du personnel qui peut vous guider en cas de problème, " a déclaré Koneru. " Si les professeurs ou les étudiants sont intéressés par la recherche qui nécessite des installations informatiques, TACC est la bonne option à choisir. Il fournit des ressources et de l'expertise gratuitement. C'est un formidable outil pour tout ce qui vous passionne. "

« Notre mission est d'encourager les chercheurs de tout l'État à utiliser les ressources du TACC pour faire des découvertes étonnantes qui ne peuvent pas être faites en laboratoire ou en utilisant des clusters locaux, " a déclaré Ari Khan de TACC. " Dr. Les recherches de Koneru sont un excellent exemple d'un tel projet qui pourrait avoir un impact majeur sur la pollution de l'air et le réchauffement climatique."